面向机械产品快速设计的知识库构建及表达*

吴雨佳，曹 岩

(西安工业大学 机电工程学院，西安 710021)

面对激烈的市场竞争，对于制造型企业来说，能否适应市场需求的改变，快速的进行产品的设计创新，提高产品设计水平，是判断企业能否长久稳定发展的重要指标。为了有效的管理多源、大规模、多类型、结构复杂的各种产品设计知识、研究方法和已有案例，需要构建产品设计知识系统来存储和管理设计知识，以便在生产设计过程中能快速准确的定位并获取所需知识，从而优化产品质量，满足产品的个性化需求，提高效率，促进问题求解。

机械产品的设计过程是一个复杂的基于知识和经验的活动。产品的设计过程会涉及到多对象、多学科、多因素的问题，针对同一个设计问题，不同学历、不同背景、不同经验的设计人员由于设计思路的不同，可能会设计出不同的方案。解决产品设计问题的工作流程大致可分为以下五步：设计问题的提出、概念设计分析、框架结构初步设计、具体问题的详细设计和设计方案的评估、确定[1]。每一个设计阶段所要完成的具体目标都有特定的要求，描述了产品设计开发过程中的每一个阶段的设计对象。设计问题的提出是产品设计开发过程的开端，从分析市场需求出发，进行项目可行性分析，并制定开发计划。概念设计则是从设计需求出发，对产品进行功能分析、原理分析，制定产品限制条件，将设计需求进行分解，制定出产品所要实现的具体功能，将设计问题表达为层次清晰的组织结构，以设计方案的形式进行知识描述[2]。产品的初步设计是根据已生成的设计问题组织结构，对产品进行整体结构性分析，通过应用设计人员自身的知识储备和借鉴已有的经验和方案，对其进行修改创新，对产品进行结构设计、外观设计，形成产品设计的总体框架[3]。详细设计阶段是在已有的初步设计的基础上对产品设计框架进行精确描述，细化到每一个部件的设计，零件的设计，包括尺寸、公差、约束等[4]。在这个阶段，需要参考所涉及到的各个领域的知识，对设计对象进行信息添加，设计者需要维持设计系统的合理性，剔除冗余信息和矛盾信息，最终输出一套完整的设计方案。文中提出产品设计知识建模的基本方法，对产品设计创新过程中的知识获取、知识分类、知识表达、知识库系统构建进行研究。

1 知识库的构建

知识库的构建过程，主要是知识获取和知识表达的过程。知识获取可以看作是多源、异构知识的转化问题，是对知识进行整理并将其转化为可以直接被利用的知识的过程，是建立知识库的基础[2]。知识获取的主要方式包括从人类专家、书籍、生产实践、数据库、网络、知识购买、组织合作等多种途径，是对知识进行推理求解、挖掘、创新的前提条件，所获取的知识质量和广度直接影响系统性能。知识获取是将系统内部或外部环境中的知识，转化为系统内部的知识，并将这些知识进行整理，将它转化为产品创新所需的知识的过程，知识获取是创造新知识的前提。依据知识源中的知识是否可以表达将知识分为显性知识和隐性知识[3]。显性知识包含书面文字、图标、公式等，具有易识别管理的特点。隐性知识是指不能明确表达的个人知识，包括经验、观点、技巧、价值体系等，需要知识工程师以多种方式进行知识的抽取。知识获取的主要方式包括，系统内部实践过程中的知识积累；对专家、文本资料或网络上的知识的理解、汇集、分类和重组；知识购买或引进，如专利转让，人才引进等；通过与其他组织的合作获取新的资源。同时，知识获取的过程中要检查或保持已获取知识集合的整体性，保证知识点之间无矛盾，同时要保持知识系统的精简，即知识无冗余。

知识表示是产品设计系统问题求解的基础[4]，其根本就是对知识的描述，用特定的方式把知识编码成一组能被计算机接受并便于被系统所使用的数据结构[5]。只有适当的表示方法，才能使知识在计算机中被有效存储、检索、使用和修改。知识表达方式应当有充分的表达能力，能清晰的表达相关领域的知识，便于知识共享、知识获取以及知识推理创新，知识表示方式有很多种，每一种表示方法都各具优点，但也都存在一定的局限性，面对不同的知识类型，针对其特点选取不同的知识表达方式。叙述性知识描述对象、性质、状况和关系适宜用逻辑表示法，描述知识和陈述各种过程知识之间的关系适宜用产生式表示法，复杂数据结构适宜用框架表示法，异构系统之间的知识共享适宜用本体表示法，按照面向对象的程序设计原则的混合知识表示适宜用面向对象表示法，实验过程知识适宜用过程表示法，描述事件、概念、状况、动作及客体之间的关系适宜用语义网表示法，概念及其语义之间的关系适宜用语义网表示法[6]。本体表示法具有层次清晰，关联性明确，便于知识重用，易于知识推理等特点，能够对复杂的、多源的、异构的知识及其所包含的深层语义知识进行有效处理，采用语义明确、定义统一的术语和概念，便于对知识进行更深层的利用、开发和创新[7]。

2 机械产品设计的知识表达

机械设计领域知识数量大、种类多，本文依据产品设计系统的知识特征，构建知识分类体系，根据其知识特点选取本体表示法作为构建产品设计系统的知识建模方法。对于机械产品设计系统知识的管理，首先要明确设计问题，根据具体问题进行相关领域知识获取，建立产品设计系统的知识分类模型，知识分类是构建知识表达模型的基础。一个合理的知识分类模型，可以更好的优化已有知识的结构，构建更加完善的设计系统。针对机械产品设计系统的实际问题，依据多领域知识进行分类，从设计流程入手，进行系统化的分类归纳，建立如图1所示的机械产品设计系统知识分类模型。

图1 机械产品设计系统知识分类模型

文中从知识系统知识源、知识获取、知识分类以及知识储存、调用方面分析知识体系的构建，基于本体表示法，建立机械产品设计系统的知识表达模型，如图2所示。知识的获取层代表知识源，主要包括基础性知识、通用性知识；知识的分类层接收由知识获取层提供的数据、方法等知识，按照分类模型进行整理；知识的存储层根据知识的类型划分存储方式；知识的本体层应用本体描述语言，实现对机械产品设计系统领域知识的记录和描述；应用层对设计系统知识的应用过程进行描述并储存。

产品设计系统的知识表达本体模型表示为

T={TClass,TPropert,TRelation,TOntology}。

式中：T为机械产品设计系统知识本体；TClass为领域内知识对象的集合，包含机械产品设计系统中的知识分类体系；TPropert为领域内知识本体属性的集合，用来描述类中的概念，具有限制类中概念和实例的功能；TRelation为知识本体间关联关系和潜在逻辑关系的集合；TOntology为知识本体实例的集合，包含产品对象、设计过程中所产生的知识等。

基于Protégé软件的机械产品设计系统知识本体构建流程如下：① 根据所要建模的实际问题，分析问题背景，明确实际意义，掌握对象的各种相关信息。② 根据分析实际对象的特征和建模目的，对实际问题进行必要的简化。③ 分析已有知识框架体系中是否有可重用的知识本体。如果有可重用本体，则对本体进行分析，判断是否满足当前需求，如完全符合要求，则直接对该本体加以利用；如果不完全符合可对已有本体进行适当修改后加以利用。如果没有与当前问题相关的可重用本体，则进入④。④ 列出本体中的重要术语。⑤ 定义分类概念和概念分类体系，定义类的属性，定义属性。⑥ 创建实例，分析当前本体是否满足要求，如果满足要求则创建知识本体，否则返回⑤进行修改。

针对机械产品设计系统的知识分类模型确定本体构建框架，依据知识分类模型，将设计系统中的知识依据所属层级，建立知识元概念结构。根据知识元之间的相互关联特征，定义属性及分析特征。将知识以概念的形式进行提取，利用Protégé软件创建本体。

图2 机械产品设计系统的知识表达模型

3 实例验证

以转轴的设计系统为例，描述了机械产品设计知识库构建的基本流程。进行领域内知识获取及知识建模，开放系统权限，设计人员可以根据实际的设计问题对系统知识进行查询、添加、修改、扩展和删除，提高了知识库的更新速率及知识的可重用性。采用自顶向下的等级构建方法，结合转轴设计领域的知识结构，将“转轴设计”定义为超类“Thing”的子类，参考轴设计的相关技术资料进一步确定了“轴设计的工程数据库”、“轴设计公式”两个大类。其中，“轴设计的工程数据库”类包含“轴的常用材料”、“轴的结构设计”、“轴的强度”、“轴的刚度”、“轴的临界转速”、“钢丝软轴”和“低速曲轴”七个子类；“轴设计公式”类包含“最小直径计算公式”、“弯曲应力计算公式”、“安全系数计算”、“扭转刚度计算”、“弯曲刚度计算”和“临界转速计算”六个子类。图3是通过protégé软件建立的轴设计的本体组织结构树。

通过领域本体的构建有助于把大量无序的设计资源进行整合，将设计资源中离散的知识有序整合起来，将整个转轴设计过程层次化，并将设计资源划分为静态资源(概念、公式、定理等)及动态资源(随设计需求改变的数据)，在为设计者提供相应的设计知识的同时，有效的帮助设计者分析其中有价值的信息，以满足用户个性化的设计需求。系统可实现从参数化特征造型、可视化结构分析计算与校核，到设计结果的文本、图形、报表输出的整个流程。它可以完成静定(悬臂梁、双支承轴)和超静定(三支承轴)的设计，为方便设计人员的使用，系统储存有一套设计示例，系统内使用的基础数据知识来源于现行的最新国家标准。系统具有智能化的设计引导模块、可视化的结构分析、参数化的特征造型、合理方便的人机交互窗口、参数的即时校核、实时数据输入提示、强度校核危险截面的智能识别等特点。用户可利用系统的设计知识查询模块，根据需求选择分类子模块进行相关设计知识的查询；可进入设计模块，根据设计需求以及所进行的操作，进行转轴的设计计算及校核。整个设计流程由多个部分组成，包括：设计信息、初始条件选择(如图4所示)、最小直径计算、轴的结构造型、绘制零件图、进行力学计算、绘制内力图、弯曲应力校核强度、安全系数校核、刚度校核、计算临界速度、计算结果输出，每一个子模块代表设计流程中的一个步骤。

图3 轴设计的本体组织结构树

图4 轴设计初始条件设置

最终输出的详细报表中会显示轴设计过程中每一步的详细参数及计算采用的公式，以及转轴设计的弯矩图，包括转轴的零件图、水平面剪力图、垂直面剪力图(如图5所示)、垂直面弯矩图、水平面弯矩图、合成弯矩图、扭矩图等内容。依据轴设计知识系统的推送方案，设计人员在设计初期即可获得完整的设计流程知识框架，提高了设计人员的工作效率，完善的体系知识也更有利于设计人员进行知识创新。Fv为垂直面剪力，x为轴向位置坐标。

图5 弯矩分析图中的垂直面剪力图

4 结 论

机械产品设计系统的建立，解决了不同研究背景的设计人员跨领域、跨学科知识难以精通，隐性知识难以获取以及个体固有经验难以更新的难题。针对机械产品快速设计需求，分析机械产品设计过程及特点，提出了基于领域本体的多源、异构知识的获取方法和知识表达方法。构建的设计系统不仅可以为设计人员提供系统化的知识查询、知识共享和知识重用，还可作为计算机辅助设计系统的子系统，自动存储、推送既往设计信息及相关问题的解决方案，为新产品的开发升级提供理论基础。